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上海西齐机电设备有限公司

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用途较广泛的燃料

对于发电和输电而言，氢的重要性必将不断提升。它不仅能用来储存过剩的风电和太阳能电能，而且可作为汽车燃料。此外，它还能结合可再生二氧化碳，制备用于塑料生产的原料。

这多么浪费！在德国北部，大风呼啸而过，而附近风电场的许多风力发电机却静止不动。“北海沿岸的风能场在长达20%的时间里必须停机，否则就会产能过剩。”西门子太阳能及水能部技术战略师Erik Wolf表示，“这是可再生能源面临的较主要挑战——因天气条件变化而带来生产波动。换句话说，供应并非像传统发电厂一样基于需求。”德国风能协会估计2010年德国电网无法承受150吉瓦时的风电，因为电网已经全负荷运行。

这就是风力发电机经常在大风天停转，二氧化碳排放量大的传统燃煤电厂在无风天重新并网的原因所在。随着德国越来越多地利用风能和太阳能，这种情况越来越显着。德国联邦**表示，该国的目标是到2030年利用可再生能源满足其50%的电力需求，到2050年满足其80%的电力需求。

这些目标如果没有大规模的储能系统将无法实现。这些储能系统能储存风能产生的过剩电力并在需要时将其重新馈送至电网。“为了迎接可再生能源系统的未来挑战，我们需要不同的储能技术，以满足从几秒钟、几小时到数天或数周的储能需求。”德国环境部议会国务秘书Katherina Reiche指出。

当然，并非只有德国存在这种情况。许多其他正在扩大利用可再生能源的国家也需要为其电网配备储能系统。“我们在丹麦、美国等许多地方就此进行了详细的探讨。”Wolf补充道。

对于储存过剩电能，电解技术必将扮演一个关键角色。水在电流的作用下分解成氧和氢。在200巴压力下，氢气的能量密度堪比锂离子电池。

大量的氢气可储存在天然气储气盐穴中，或者可储存在现有的天然气管道中，天然气管道可轻松地容纳5%的氢气。从纯粹数学意义上而言，单就后者就可储存以氢气形式存在的130太瓦时电能，这差不多相当于德国年耗电量的四分之一。

地下储存。在无风天或阴天，氢气可从盐穴中抽出，比如输送给联合循环电厂进行发电。当然，目前还没有轮机能燃烧纯氢——但是西门子希望能在2014年推出这种轮机原型。尽管有大约一半的电能会在电解和燃气轮机发电过程中损失，但是风电场不会再因为产能过剩而停机。

此外，发电波动问题也可得以解决。“在德国，根据能源结构以及到2050年的电力需求，我们将需要较多400个氢气储气穴，每个储气穴的容量为50万立方米。目前，我们已经有了200个可以使用的天然气储气穴。这400个洞穴较多可储能60太瓦时，大约相当于德国年度电力需求的10%。这足以应对较长时间的风能或太阳能发电波动。”Wolf说道。

英国和美国的两个小型氢气储气穴已经运行多年，充分表明这种储能形式是安全的。*预计一套典型氢气储能设施的成本在1000万欧元至3000万欧元之间。电力公司还需要投资通常成本在5000万欧元至7亿欧元之间的燃气发电设施。

电力公司看到了氢气技术的巨大潜力。“我们希望实现大幅度的二氧化碳减排。因此，我们正在开发全新的高效电厂技术，并运营越来越多的风电场。”德国RWE电力公司研究部的Sebastian Bohnes博士表示，“如今，风力发电机由于电网瓶颈而被迫时常停机。随着可再生能源利用规模的扩大，产能过剩问题必将日益**。电解技术提供了一种有趣的以氢气形式储存过剩电能的方式。”这就要求电解槽能够迅速响应波动的电能。迄今为止，响应时间长达数分钟的现有系统都太慢。

灵活的氢气工厂。多年来，西门子*研究院的研究人员一直在研究一种更为灵活的替代性电解技术。在这种电解槽中，质子交换膜（PEM）将两个分别分解产生氧和氢的电极隔离开来——这与传统的碱性电解技术正好相反。“我们的PEM电解槽可在几毫秒内作出响应，并可短时运行于三倍于其额定功率的功率水平下。换句话说，即使发电量突然大增，它都可轻松储存过剩的电能。”西门子工业业务领域氢气解决方案业务负责人Roland K?ppner指出。

西门子的PEM技术已经足够成熟，能走出实验室投入实际应用。在额定功率为10千瓦的实验性电解槽成功基础之上，K?ppner的团队正在研究额定功率为0.1兆瓦（峰值功率为0.3兆瓦）的新电解槽。它将能每小时产生2到6千克氢气，计划在2012年底投入运行。“我们优化了设计以及所有外围设备，比如控制系统和电源。我们还努力利用创新材料和结构特征大幅降低成本。” K?ppner在描述将该系统投入实际应用过程所作的努力时这样说道。

通过电解工艺生产氢气的成本依然高达每千瓦1万欧元。通过在设计上的进一步优化，K?ppner希望较晚到2018年将每千瓦成本降到1000欧元以下。到那时，*三代西门子电解槽有望能够容纳100兆瓦电能，将大量的风能剩余电力转换成储能氢气。一套60-90兆瓦的电解槽就足以转化一家大型风电场的过剩电能。

在0.1兆瓦和100兆瓦系统之间，K?ppner打算开发一款中间产品。这将是一款额定功率为2兆瓦的电解槽，计划在2015年投入运行。除了储能和稳定电网外，该系统还适合用于未来的汽车加氢站。这还可避免氢气的运输过程，因为氢燃料就在加氢站生产——利用电网的剩余电能和自来水。“**汽车厂商正在紧锣密鼓地筹划投产氢燃料电池汽车。这种汽车上市后，就可利用由可再生能源生产的氢气。”

这凸显了氢的一大优势：多用途。它可重新转化为电能，可用于驱动汽车，或者进行“甲烷化”——氢与二氧化碳作用形成天然气主要成分甲烷。氢气中的能量因此可储存在现有的天然气分配基础设施中。但它还可用于驱动天然气汽车。“甲烷化从原则上而言是个好主意。但是即使氢和二氧化碳来自可再生能源，比如生物质工厂，该过程也仅仅实现了碳中和。不要忘了将氢气转化成甲烷也需要能量，因此，就能量角度而言，直接利用氢气更有意义。”

气体梦之队。氢不仅是很好的能量载体，而且是化工行业重要的原材料——目前主要来自天然气。一方面，必须使利用可再生能源剩余电力生产氢气的成本接近于利用天然气生产氢气。另一方面，希望有一天氢能与温室气体二氧化碳组成一个真正的“梦之队”。二氧化碳如何结合可再生能源用于化工生产是西门子、RWE、拜耳科技服务、拜耳材料科技和其他10个合作伙伴自2010年来共同开展的一个研究项目的主题。这个被称之为CO2RRECT（利用可再生能源和催化技术实现二氧化碳反应）的项目总投资1800万欧元，其中1100万来自德国联邦教育研究部。

CO2RRECT项目的基本理念是，作为化工行业重要中间产品的一氧化碳（CO）过去取自矿物能源，现在可取而代之利用二氧化碳和氢气制备。这个过程只产生废水。“这种反应需要利用拜耳正与科技界合作伙伴联手开发的特殊催化剂，”CO2RRECT项目**经理来自拜耳公司的Daniel Wichmann说道，“利用不同的催化剂，还可生产甲酸，这是一种基本**化工原料。”

所有这一切的关键在于必须提供足够数量的二氧化碳和氢气——这是项目合作伙伴西门子和RWE的职责所在。在德国北莱茵-威斯特法伦州的Niederau?em，RWE公司运营着一家褐煤电厂，该电厂装备了一套从烟气中抽取二氧化碳的系统。这些二氧化碳提供给研究人员以供研究之用。

作为这项工作的一部分，西门子将在2012年底在这里安装一套电解槽，并在真实条件下进行测试。“我们将模拟电网负荷状况和风电场的馈电特点。这样我们就能弄清电解槽是否能应对电力生产的波动。”RWE*Bohnes表示。

从二氧化碳到塑料。在勒沃库森，拜耳及其合作伙伴Invite正在建造一套测试设备，预计于2013年底投入使用。该测试设备将利用二氧化碳和氢气制备一氧化碳。如果制备过程被证明有效，通过这种方式制备的一氧化碳将较终投入工业应用——比如生产异氰酸脂。这些**化合物可作为生产聚亚安酯的原材料，而聚亚安酯广泛用于从汽车、家具到隔音等各种用途。“我们想通过测试设备表明波动性的氢气生产可与化工行业所需的恒定过程结合在一起。”Wichmann指出。

CO2RRECT项目将持续到2013年底。目前，化工公司和能源生产商已经从项目成果中获益。电厂运营商可充分利用抽取的二氧化碳，而不是仅仅在地下封存。他们还可省去排放许可费。而塑料生产商可减少对石油的依赖。较终，气候得到了更好的保护。“通过CO2RRECT项目和对该技术进行的不断改进，有可能使德国每年减排二氧化碳数百万吨。这相当于德国二氧化碳排放总量的1%到2%。”Bohnes说道。

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绿色解决方案

未来，水藻可被用来将电厂的二氧化碳转化为生产生物燃料的原料。为了实现这个目标，西门子研究人员正在探索脉冲电场和磁性技术等各类过滤技术。

澳大利亚昆士兰大学的研究人员基本用不着除藻。与许多园艺师不同，他们非常自豪他们露天水池里的水呈现深绿色。这是因为这里的水藻完全是有益的。他们利用光合作用从空气中去除二氧化碳并生成生物质：油、脂和蛋白质，它们可以转换为生物燃料、动物饲料或药品。“如果向它们供应富含二氧化碳的电厂烟气，它们每公顷每年可吸收二氧化碳120吨。”位于德国爱尔兰根的西门子*研究院的化学家Manfred Baldauf博士说道。中欧的森林每公顷差不多可吸收二氧化碳10吨，即使是迅速生长的中国芒每公顷也只能吸收大约50吨温室气体。这并不是水藻养殖场只需要相对少量耕地的一原因。这种养殖场还可设在贫瘠的土地上，未来甚至可设在海洋或河流中。

西门子（以及其他方）正在为昆士兰大学获得**资助的野外水藻养殖项目提供经济支持。公司还在自己的研究项目中研究借助水藻进行的二氧化碳吸收利用，探索其他碳利用方法，比如利用二氧化碳和氢制备甲烷和甲醇。Baldauf及其团队设定了一个非常宏伟的目标：开发能够将二氧化碳转化成环保产品的技术。

Baldauf无法预测水藻在其中扮演的角色。但是肯定的是如果没有有效的技术，将无法实现突破。“现在的工艺释放的二氧化碳比它们吸收的二氧化碳更多。”他解释道。除了生物反应器运行之外，这是因为收获和干燥流程会消耗大量的能源。

磁性方法。 解决方案也许指日可待。西门子研究人员正在研究两种特别有效的收获技术。当前的方法是利用离心或过滤方式将水藻与水分离开来。但具有更高能效的方法是电穿孔。浸没在富含水藻的水中的电极连通高频交流电，摧毁能使水藻上浮的结构。这样，绿藻就沉向水底，上面的水能被抽回反应器。“我们还在研究脉冲电场是否能引起水藻细胞壁破裂，”Baldauf说道。这是一个想要获得的副作用，因为这有助于分离生物燃料原料——水藻油。

在另外一种收获水藻的方法中，西门子研究人员将微米大小的磁性颗粒与水藻混合在一起，并使富含水藻的水通过旋转的磁鼓。磁性颗粒与水藻粘附在一起，然后两者一起被吸在磁体上。“但是，毕竟较后需要将水藻和磁性颗粒分离开来。我们正在试图找出较佳的分离方式。”Baldauf说道。并不是每种水藻都适合每种收获方式。为了确定合适的种类，西门子研究人员正在与德国比勒菲尔德大学的科学家携手合作。

西门子还与德国卡尔斯鲁厄工业大学合作，该校正在开发不同的生物反应器，以降低水藻养殖成本。靠近水藻养殖场的工厂或电厂通过供应包含二氧化碳和废热的烟气，可帮助改善环境和经济。这可有利于干燥流程，并帮助在寒冷天气保持理想的温度。水藻较适宜的温度是在20摄氏度至30摄氏度之间。

基于二氧化碳利用可能开发的是什么类型的较终产品？西门子研究人员倾向于生物燃料和动物饲料。实际上，这两种产品可以同时生产——生物燃料来自水藻油，动物饲料来自残渣。实际上，利用水藻成分生产食品、药品和化妆品已经经济可行，因为这些产品的售价要比生物柴油高得多。“但是产量太小，难以吸收大量的二氧化碳。”Baldauf指出。

作为西门子二氧化碳回收项目的一部分，研究人员还在研究是否以及如何高效实现生物质“水热碳化”。在这个过程中，收获的水藻被加热到近200摄氏度。得到的产品是碳元素，它可作为废水净化中的活性碳使用，或进行处理。“这个过程的一大优势是使二氧化碳非常长时间的脱离循环。”Baldauf说道。

基于水藻的二氧化碳再循环也是西门子*研究院中那些没有参与二氧化碳回收项目的研究人员的目标。比如，Maximilian Fleischer教授就在研究转基因水藻细胞，他的工作得到了西门子医疗**技术官同时也是基因技术*的Cord St?hler的支持。其目标是利用**级细胞生产乙醇。比如，光合作用就被用于被称之为蓝细菌的蓝藻将二氧化碳主要转化为糖。一个额外的基因可确保糖在水藻细胞内被转化成乙醇。“我们想借此实现15%到20%的总体效率。”St?hler指出。

光合作用幕墙？ 如果低等级的水藻细胞能够利用光合作用，那么高科技未来建筑呢？在此，空气中的二氧化碳与水、阳光和合适的催化剂发生化学反应，形成甲醇和氧气。“甲醇然后可用在燃料电池中，用来发电和提供热量。”西门子*研究院的Fleischer表示。在未来，装满水的反应器面板通过玻璃隔绝太阳，并在后端配有可渗透二氧化碳的膜，这样的反应器可布满整个建筑物的幕墙，实现类似树一样的光合作用。

但是在光合作用幕墙吸收大量二氧化碳之前，另一种技术可能取得了突破。“借助风能或太阳能过剩电力利用二氧化碳和氢气生产甲烷和甲醇在技术上已是可行的。”Baldauf说道。实际上，位于斯图加特的初创企业Solarfuel计划于2013年在一家奥迪工厂推出**套这样的系统。

西门子正在开发一种特别有效的动态电解槽，用于氢气生产。在这方面，化工公司和项目合作伙伴拜耳公司正在研究利用氢气和二氧化碳生产聚亚安酯，聚亚安酯是泡沫、塑料和油漆的重要原材料。

科学家是否能将二氧化碳转化为可盈利的量产原材料目前尚不清楚。但是已经出现了相应的积极迹象。利用二氧化碳生成的水藻产品已经有潜在买主。据Baldauf透露，表示出兴趣的公司包括EADS、Neste Oil、航空公司和饲养场。